طراحي و شبيه سازي سلول خورشيدي اتصال شاتكي گرافن/سيليكن شانه اي بر پايه فلزكاري نامتقارن به منظور افزايش بازدهي

Design and Simulation of Finger-Shape Graphene Silicon Schottky Junction Solar Cell based on Asymmetrical Metallization to Enhance the Efficiency

با استفاده از گرافن در ساختار شاتكي سلول خورشيدي گرافن/سيليكن، نه تنها مي‌توان از خواص منحصر بفرد اين ماده به عنوان الكترود استفاده كرد بلكه امكان بهره‌مندي از آن به عنوان ماده جاذب نيز فراهم مي‌شود. در اين مقاله، دو ساختار جديد از سلول خورشيدي بر پايه پيوند گرافن/سيليكن پيشنهاد شده است كه در آن‌ها امكان جمع‌آوري حامل‌هاي نوري توليد شده در گرافن، علاوه بر سيليكن، وجود دارد و اين موضوع موجب افزايش بازدهي سلول خورشيدي مي‌شود. در پيوند شاتكي گرافن/سيليكن، ميدان الكتريكي ذاتي ايجاد شده در اثر سد شاتكي مابين گرافن و سيليكن، موجب جداشدن زوج‌هاي الكترون-حفره توليد شده در سيليكن شده و جريان نوري در مدار خارجي را موجب مي‌شود. در ساختارهاي پيشنهادي با ايجاد ميدان الكتريكي ديگري در سطح گرافن، امكان تفكيك زوج‌هاي الكترون-حفره توليد شده در گرافن نيز فراهم مي‌شود. اين ميدان الكتريكي با بهره‌گيري از اثر فلزكاري سطح گرافن بر روي باند دياگرام آن ايجاد مي‌شود. فلزكاري معمول براي اينگونه قطعات داراي ساختاري پنجره‌اي شكل مي‌باشد. در چنين ساختاري از گرافن تنها به عنوان الكترود نيمه‌شفاف بهره گرفته مي‌شود. دو ساختار پيشنهادي، ساختار فلزكاري نامتقارن و شانه‌اي مي‌باشند. نتايج شبيه-سازي‌هاي انجام شده با نرم‌افزار TCAD Silvaco حاكي از آن است كه در سلول خورشيدي اتصال شاتكي گرافن/سيليكن با ساختار معمول (پنجره‌اي) بازدهي تبديل توان قطعه 2.7% است در صورتيكه از طريق فلزكاري نامتقارن با استفاده از فلزات با تابع كار متفاوت، بازدهي تبديل توان قطعه به 3.5% خواهد رسيد و با استفاده از فلزكاري سطح بصورت شانه‌اي، اين مقدار به 4.3% افزايش مي‌يابد.

By the use of graphene in graphene/silicon schottky junction solar cell, we can benefit from the unique characteristics of graphene not only as an electrode but also as an absorbing material. In this paper we have proposed two new structures for the solar cell based on graphene/silicon junction. In these new structures, it is possible to collect the optical carriers generated in graphene as well as silicon and this is the reason of enhancement in the efficiency of the solar cell. The intrinsic electric field made by the schottky barrier between graphene and silicon in graphene/silicon schottky junction, separates the electron-hole pairs generated in silicon under radiation and cause the photo current in external circuit. In our new structures, we have benefited from graphene as an absorber by producing an extra electric field on the surface of graphene layer. The effect of surface metallization on band diagram of graphene will make this electric field. Conventional metallization of graphene solar cells has window-shape structure. In this structure, graphene is used just as a semitransparent electrode. The two proposed metallizations have asymmetrical and interdigitated finger shapes. The simulation is done by TCAD Silvaco software and declares that in conventional graphene/silicon schottky junction solar cell with window like metallization, the PCE is 2.7% whereas in solar cell with asymmetrical metallization by two different work functions, the PCE reaches to 3.5%. By the use of interdigitated finger structure metallization, the PCE would increase to 4.3%.